JP6448034B2 - アンテナ装置およびアンテナ設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ放射素子と周波数選択板（反射板）を用いたアンテナ装置およびビーム幅を調整するアンテナ設計方法に関する。

移動無線通信の高速・大容量化が要求されている。移動無線通信では、指向性アンテナにより扇状のセルを形成するセクタセル構成をとっている。セクタセル構成にすることで、指向方向以外からの干渉波を除去することができ、近接するセルで同じ周波数帯域を繰り返し使用できるため、周波数利用効率を向上することができる。さらに、複数の周波数帯域を同時に使用することで大容量化を実現している（非特許文献１）。

所望のセクタセルを形成するために、移動無線通信用の従来の基地局アンテナでは、使用する周波数帯域毎に放射素子と金属反射板などからなる指向性アンテナを設置する必要がある。この基地局アンテナのアンテナ設置場所削減のために、複数の周波数選択板を反射板に適用したマルチバンドアンテナが提案されている（特許文献１、非特許文献２）。

周波数選択板は、プリント基板上などに所定形状の金属素子やスロットなどの単位素子を周期的に配列することで、特定の周波数帯域の電磁波を反射または透過させる周波数フィルタの動作をする。複数の周波数帯域を共用する周波数共用アンテナ装置は、周波数共用アンテナ放射素子と、単位素子のサイズ等が異なる複数の周波数選択板を周波数共用アンテナ放射素子からそれぞれ異なる距離で重ねて配置した構成となる。

特開２０１４−０８６９５２号公報

長敬三, 山口良, 蒋恵玲, " 次世代移動通信システム実現に向けた基地局・端末アンテナ技術,"信学論文誌B, vol.J91-B, no.9, pp.886-900, 2008年 9月 宗秀哉, 安藤篤也, 杉山隆利, " 複数枚の周波数選択板を有する周波数共用アンテナにおけるビーム幅制御方法の検討," 2013 年電子情報通信学会ソサイエティ大会, B-1-119, 2013年 9月

移動無線通信におけるセクタセルの設計では、所望のセクタセルとなるように、基地局アンテナの半値ビーム幅を設計することにより実現している。

図５は、従来のアンテナ装置の構成例を示す（非特許文献２）。
図５において、アンテナ装置は、アンテナ放射素子５１と、反射板として正方形状の複数の金属素子（単位素子）を周期的に配列した周波数選択板５２から構成される。

このアンテナ装置では、周波数選択板５２となる正方形状の単位素子の一辺のサイズを変えることによりビーム幅の調整が可能になっている。しかしながら、周波数選択板５２のサイズが大きくなると、アンテナ放射素子４１から放射された電磁波が周波数選択板５２へ入射する角度がつくため、十分に電磁波を反射しなくなる。これにより，斜め入射した電磁波によりビームが割れてしまうことが問題となる。非特許文献２で示されている構成において、２ＧHzの水平面放射パターンのＸ軸方向（放射方向）は、図６に示すように、ピークゲインから約２ｄＢ劣化していることがわかる。よって、単純に単位素子のサイズを変えるビーム幅制御方法では不十分である。

本発明は、周波数選択板を反射板として用いるアンテナ装置およびアンテナ設計方法において、放射パターンを劣化させることなく半値ビーム幅の調整を可能にすることを目的とする。

本発明は、所定の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子と、複数の金属素子を周期的に配列した構造を有し、所定の周波数帯域の電磁波を反射する周波数選択板とを備えたアンテナ装置において、周波数選択板は、複数の金属素子の間隔をａ、反射する電磁波の波長をλとしたときに、
0.19≦ａ／λ≦0.49
を満足する範囲で複数の金属素子の間隔を調整することで、周波数選択板で反射する電磁波の半値ビーム幅として、ビームの主ローブの最大ゲインより３ｄＢ下がった点間の角度Ｄを75度から 120度までの所望の角度とする構成である。

本発明のアンテナ装置において、角度Ｄが、
Ｄ [度] ＝140−130ａ／λ
となる範囲で複数の金属素子の間隔を調整する構成である。

本発明のアンテナ装置において、複数の金属素子の間隔ａの調整に伴って各金属素子のサイズを微調整し、周波数選択板で反射する電磁波の周波数帯域を維持する構成である。

本発明は、所定の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子と、複数の金属素子を周期的に配列した構造を有し、所定の周波数帯域の電磁波を反射する周波数選択板とを備えるアンテナ装置の設計方法において、周波数選択板は、複数の金属素子の間隔をａ、反射する電磁波の波長をλとしたときに、
0.19≦ａ／λ≦0.49
を満足する範囲で複数の金属素子の間隔に調整ことで、周波数選択板で反射する電磁波の半値ビーム幅として、ビームの主ローブの最大ゲインより３ｄＢ下がった点間の角度Ｄを75度から 120度までの所望の角度に設定する。

本発明は、周波数選択板に用いられている金属素子（単位素子）の間隔を変化させることにより、ビーム幅を調整することができる。

本発明のアンテナ装置における半値ビーム幅の制御原理を示す図である。 本発明のアンテナ装置の実施例構成を示す図である。 本発明のアンテナ装置の半値ビーム幅特性を示す図である。 本発明のアンテナ装置における素子間隔に対する半値ビーム幅特性を示す図である。 従来のアンテナ装置の構成例を示す図である。 従来のアンテナ装置の水平面放射パターン（２ＧHz）を示す図である。

図１は、本発明のアンテナ装置における半値ビーム幅の制御原理を示す。
本発明のアンテナ装置の周波数選択板は、複数の金属素子（単位素子）を周期的に配列した構造であり、特定の周波数帯域の電磁波を反射する。本発明では、この周波数選択板を構成する単位素子の間隔を変更することで、等価的に反射板のサイズを変更して半値ビーム幅を調整する。すなわち、単位素子の間隔を離すと、反射板のサイズが等価的に大きくなり、半値ビーム幅を狭くすることができる。ただし、単位素子の間隔を変更すると、周波数選択板の共振周波数が所定の周波数帯域から変化するため、所定の周波数帯域を維持するように単位素子の太さや長さなどの寸法を調整する必要がある。

図２は、本発明のアンテナ装置の実施例構成を示す。
図２において、アンテナ装置は、 3.8ＧHz帯を放射するアンテナ放射素子１１と、複数の単位素子を周期的に配置した周波数選択板１２から構成される。アンテナ放射素子１１は、周波数選択板１２から16.7ｍｍ離して配置し、 3.8ＧHzで共振するように寸法を調整している。周波数選択板１２は、長方形の単位素子を垂直方向に５素子、水平方向に３素子並べた構成である。ここでは、プリント基板を使用せず、電磁波の影響を無視することのできる治具（図示せず）に金属素子を貼り合わせることで実現する。

ここで、半値ビーム幅を調整するために素子間隔ａを変化させると、周波数選択板１２の所定の共振周波数が変化するため、所定の共振周波数となるように単位素子の寸法Ｗ，Ｌ，ｂを調整する。

素子間隔ａが38.5ｍｍの周波数選択板をＡ、素子間隔ａが24.8ｍｍの周波数選択板をＢとする。この周波数選択板Ａ，Ｂにおいて、同じ共振周波数を実現するための単位素子の寸法Ｗ，Ｌ，ｂは、次の通りである。この単位素子を図２のように用いた周波数選択板Ａ，Ｂの全体の高さおよび幅も示す。単位はｍｍである。

周波数選択板Ａ：ａ＝38.5、Ｗ＝６、Ｌ＝43.5、ｂ＝50、高さ＝243.5 、幅＝83
周波数選択板Ｂ：ａ＝24.8、Ｗ＝2.5 、Ｌ＝47.2、ｂ＝50、高さ＝247.2 、幅＝54.6

図３は、本発明のアンテナ装置の半値ビーム幅特性を示す。
図３において、周波数選択板Ｂに対して単位素子の間隔を離した周波数選択板Ａを用いたアンテナ装置では、反射板のサイズが等価的に大きくなり、半値ビーム幅が狭くなっていることがわかる。

図４は、本発明のアンテナ装置における素子間隔に対する半値ビーム幅特性を示す。
図４において、横軸は素子間隔ａを 3.8ＧHzの波長λで正規化した値ａ／λである。ａ／λが、0.19以下および0.49以上の範囲は、共振周波数を 3.8ＧHzとすることができない領域である。この結果より、素子間隔ａを離すと、反射板のサイズが等価的に大きくなるなり、半値ビーム幅を狭くできることがわかる。

水平面ビームの主ローブを放射方向（Ｘ軸方向）とし、主ローブの最大ゲインより３ｄＢ下がった点間の内角Ｄを半値ビーム幅とすると、ａ／λを0.19から0.49の範囲で設定することで、ビームを割れることのない単峰特性とすることができ、半値ビーム幅Ｄを75度から120 度まで調整することが可能となる。図３のグラフを直線近似すると、半値ビーム幅Ｄは概ね、数式Ｄ＝140−130ａ／λで表すことができる。

１１，５１ アンテナ放射素子
１２，５２ 周波数選択板

Claims (4)

1. 所定の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子と、
   複数の金属素子を周期的に配列した構造を有し、前記所定の周波数帯域の電磁波を反射する周波数選択板と
   を備えたアンテナ装置において、
   前記周波数選択板は、前記複数の金属素子の間隔をａ、反射する前記電磁波の波長をλとしたときに、
   0.19≦ａ／λ≦0.49
   を満足する範囲で前記複数の金属素子の間隔を調整することで、前記周波数選択板で反射する前記電磁波の半値ビーム幅として、ビームの主ローブの最大ゲインより３ｄＢ下がった点間の角度Ｄを75度から 120度までの所望の角度とする構成である
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記角度Ｄが、
   Ｄ [度] ＝140−130ａ／λ
   となる範囲で前記複数の金属素子の間隔を調整する構成である
   ことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置において、
   前記複数の金属素子の間隔ａの調整に伴って各金属素子のサイズを微調整し、前記周波数選択板で反射する前記電磁波の周波数帯域を維持する構成である
   ことを特徴とするアンテナ装置。
4. 所定の周波数帯域の電磁波を放射するアンテナ放射素子と、
   複数の金属素子を周期的に配列した構造を有し、前記所定の周波数帯域の電磁波を反射する周波数選択板と
   を備えるアンテナ装置の設計方法において、
   前記周波数選択板は、前記複数の金属素子の間隔をａ、反射する前記電磁波の波長をλとしたときに、
   0.19≦ａ／λ≦0.49
   を満足する範囲で前記複数の金属素子の間隔に調整することで、前記周波数選択板で反射する前記電磁波の半値ビーム幅として、ビームの主ローブの最大ゲインより３ｄＢ下がった点間の角度Ｄを75度から 120度までの所望の角度に設定する
   ことを特徴とするアンテナ装置の設計方法。

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